Фундаментальный закон причинности (причина всегда предшествует следствию)

В классической механике Ньютона	u = u' + v (4)
В СТО Эйнштейна	u = (5)

u = = = c (6)

6.3. Свойства пространства и времени

Обычно выделяют всеобщие, общие и специфические свойства пространства и времени. Перечислим их.

Всеобщие свойства пространства и времени:

1. Объективность и независимость от человеческого сознания.

2. Универсальность (они проявляются на всех структурных уровнях материи).

3. Неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей.

4. Бесконечность (невозможно найти место, где они отсутствовали бы).

Общие свойства пространства:

1. Протяженность (существование и связь различных элементов).

2. Единство прерывности и непрерывности. Непрерывность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве. Прерывность проявляется в раздельном существовании материальных объектов (тел). Их единство – это характер перемещений тел от точки к точке.

3. Трехмерность (пространство трех измерений: длина, ширина, высота).

Общие свойства времени:

1. Длительность (последовательность смены состояний).

2. Необратимость (однонаправленное изменение от прошлого к будущему).

3. Неповторяемость (невозможность повторения прошлых событий).

4. Одномерность (линейная последовательность событий, связанных друг с другом).

Специфические свойства пространства:

1. Конкретные формы и размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии.

3. Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верх, низ и др.). Неоднородность означает различные значения кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

Специфические свойства времени:

1. Конкретная длительность существования систем.

2. Скорость протекания процессов. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит относительное замедление всех процессов.

6.4. Фундаментальные законы сохранения и принципы их симметрии

Фундаментальные законы справедливы для всего естествознания: замкнутых и незамкнутых систем, макроскопических и микроскопических, классических и квантовых явлений. Они выделяются среди всех законов своей всеобщностью. Эти законы были установлены опытным путем, в результате обобщения огромного количества экспериментального материала. Гораздо позже пришло понимание глубокой взаимосвязи этих законов. Это позволило осмыслить их всеобщность и предсказать, в каких условиях тот или иной закон может видоизменять свою форму.

Закон сохранения и превращения материи: материя из ничего не создается и ни во что не превращается. Первоначально этот закон был экспериментально доказан для частного случая закона сохранения массы при химических превращениях Ломоносовым в 1756 г. и Лавуазье в 1774 г.: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Независимо был открыт закон сохранения и превращения энергии (М.В. Ломоносов, 1760 г.) и подтвержден экспериментально Ю. Майером в 1842 г.: энергия замкнутых систем остается постоянной при всех происходящих в ней процессах и превращениях. Под энергией понимают общую количественную меру различных форм движения материальных объектов. В соответствии с различными формами движения материи выделяют различные виды энергии: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, ядерную и т.д. До начала XX в. законы сохранения массы и энергии рассматривались независимо друг от друга. Предполагалось, что между веществом и энергией существует различие: вещество обладает массой, а энергия нет. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что энергия также обладает массой. Он установил закон эквивалентности массы и энергии: полная энергия системы равна произведению массы на квадрат скорости света в вакууме (E = mc²). Закон эквивалентности массы и энергии блестяще подтвержден экспериментом о выделении энергии при протекании ядерных реакций. Таким образом, закон сохранения массы и закон сохранения энергии представляют собой лишь частные случаи всеобщего закона сохранения и превращения материи.

Закон сохранения импульса (количества движения): в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел. Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета.

Закон сохранения момента импульса: для изолированной системы момент импульса остается постоянным. Момент импульса – это векторная мера механического движения тела или системы тел относительно какого-нибудь центра или оси. Этот закон хорошо обоснован: неизвестно никаких исключений из него или фактов, противоречащих ему.

Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной. Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению отрицательного электрического заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности один от другого, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по абсолютному значению.

Для понимания фундаментальных законов природы весьма важными являются принципы симметрии. Симметрия – неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований. В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении ее параметров. Наглядным примером симметрий являются кристаллы, орнамент, снежинка.

Принцип изотропности пространства – поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Изотропность пространства означает, что свойства пространства одинаковы в любом направлении, проведенном из произвольно выбранной точки. Из принципа изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса.

Принцип инвариантности – смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований. Наглядным примером пространственных симметрий физических систем является кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов – закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов. Она заключается в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Из этого принципа следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени. Однородность пространства означает, что законы движения тел не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса. Однородность времени означает, что законы движения тел не зависят от выбора начала отсчета времени, т.е. все моменты времени равноправны и можно взять любой за начало отсчета. Из однородности времени следует закон сохранения энергии.

Принцип относительности – физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета. Впервые он был сформулирован Г. Галилеем для механического движения. Из принципа относительности вытекает сохранение импульса центра масс изолированной системы.

Матвеев А.В.

7